16V240ZJ型柴油机气缸套温度场三维数值模拟毕业设计论文.docx

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16V240ZJ型柴油机气缸套温度场三维数值模拟毕业设计论文

毕业设计（论文）

16V240ZJ型柴油机气缸套温度场三维数值模拟

学科、专业：

热能与动力工程

兰州交通大学

LanzhouJiaotongUniversity

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

气缸套就是缸套的全称，它镶在缸体的缸筒内，与活塞和缸盖共同组成燃烧室。

气缸套分为干缸套和湿缸套两大类。

背面不接触冷却水的气缸套叫干缸套，背面和冷却水接触的气缸套是湿缸套。

干缸套厚度较薄、结构简单、加工方便。

湿缸套直接接触冷却水，所以有利于发动机的冷却，有利于发动机的小型轻量化。

本研究以16V240ZJ型柴油机热负荷为研究对象，系统地探讨了有限元法在柴油机缸套设计中的应用，深入研究了柴油机缸套热负荷对性能和可靠性的影响，同时系统的介绍了有限元分析软件solidworks的分析特点和步骤，及其在工业设计上应用的广泛性及其对各种分析的重要意义。

本研究首先阐述气缸套的应用作用及设计意义，介绍关于气缸套的分类和作用等各个方面；利用获得的参考文献的温度场及材料各个特性参数的资料，采用有限元分析软件solidworkssimulation对缸套的热应力及热变形进行分析探讨，对实现缸套的优化设计提供参考。

研究结果表明：

气缸套的工作温度最高达805K，缸套内壁径向的最大变形量为0.4925mm，均出现在缸套内壁面的上部区城。

关键词：

气缸套；有限元；温度场；柴油机

Abstract

Cylinderlineristhenamethatwecallthelinerofacylinder.Itsetsinsidethecylinderbarrelandmakesupofthecombustionchambertogetherwiththepistonandcylinderhead.Cylinderlinershavetwokinds:

dryandwetcylinderliner.Thekindthatdoesn'ttouchthecoolingwaterinitsbackisdrycylinder,theotherkindlineriswetliner.Thedrycylinderisverythin,verysimpleandeasymachining.Wetcylinderscontactwiththecoolingwaterdirectlysothatfortheenginecoolingandthesimplificationofengine.

Thisstudytakesaidat16V240ZJdieselenginecylinderliners,discussestheapplicationofFEMindieselenginecylinderlinerssystemicandstudiesthethermalloadofdieselenginecylinderliner’saffectiontothesecurityandreliability.Besides,IalsointroducetheanalyzingfeatureandprocedureofFEMsoftwaresolidworksandtheuniversalityandimportanceofitsapplication.

Thisstudyfirstlyintroducescylinderliner’sfunctionanditsdesignsignificanceandthenintroducestheclassificationandfunctionandsoon.Itakeuseofthethermalfieldandmanyparametersthatareachievedbyme.IalsoexploittheFEMsoftwaresolidworkssimulationtoanalysethethermalstressanddeformationsoastoapplyingthereferenceofcylinderliner’sdesign.

Theresultshows：

theworkingtemperatureofcylinderlinercanbehighupto107.3K，andthemostradialdeformationis1.8mm，bothofwhichappearsontheupperpartofthecylinderliner`sinnersurface.

KeyWords：

Cylinder；Finiteelement；Temperaturefield;Dieselengine

1绪论

1.1柴油机气缸套温度场研究的意义

作为一种热能动力机械，柴油机的工作过程始终离不开热现象，始终会受到热应力的影响。

因而热应力在很大程度上主宰着柴油机的经济性，可靠性以及其他各项重要的技术经济指标。

尤其是热负荷对气缸套的产生的应力影响，会对发动机的整体性能产生很大的影响。

即使在强化程度较低的柴油机上也己普遍有所反映，在柴油机负载日益增强的今天，研究柴油机气缸套热负荷问题已是非常紧迫的任务了。

柴油机向高强化方向的发展使其零部件的机械负荷和热负荷不断增大。

柴油机的气缸是气体压缩、燃烧和膨胀的空间，并对活塞起支承和导向作用。

气缸套是一薄壁圆筒形零件，其内壁直接受到高温高压燃气作用，而外侧又被冷却水包围。

燃烧过程中燃气的最高温度可达2500℃左右，在如此大的内外壁温差下，气缸套将会产生一定的热应力及热变形，这都必须控制在一定的范围内。

对于气缸套传热问题的研究，不仅局限于改善柴油机工作循环的热效率，从结构设计和运行可靠性方面来看，也具有重要意义。

因为气缸套所传出的热量及其冷却措施决定了气缸套内壁的温度分布。

前者对润滑、磨损、活塞间隙起决定作用；后者决定了气缸套的热应力大小。

因此，必须知道预定工况下气缸套的温度分布,而要得到可靠的温度值和具体的温度分布，应用有限元软件进行分析是最有效的方法之一。

为此，本文利用有限元分析软件，结合实测的温度场边界条件，计算了缸套温度场的分布情况，从而为缸套的设计和检验提供理论依据。

1.2柴油机气缸套温度场研究的国内外状况

对于内燃机气缸套热应力的研究，根据温度场和热变形的研究方法，分为直接的实验测量方法和数值计算方法。

首先介绍试验测量方法的发展状况，随着测试技术的发展以及测量精度的不断提高，人们越来越多地运用一些高科技手段以及先进的测量方法对缸套的温度场和热变形进行分析检测，现代的测量方法已经由最初的硬度法、热电偶法、易熔合金法等发展到目前的热弹效应法、同位素法、氢化技术等。

现代的测量方法不仅测量更加准确，而且测量的数据更加广泛、更加灵活。

但是实验测试方法只能在整体样机生产出来以后才能采用，无法在设计阶作为一种测试设计的手段。

而数值计算方法使得设计人员可以在设计阶段对缸套有相对准确的了解，进而在设计阶段便能解决一些热负荷方面的问题。

由于这种方法更加符合现代设计方法的发展方向，所以它越来越受到人们的重视。

对于数值计算方法应用的发展已有相当长的时间了，运用数值计算方法计算缸套的温度和热变形，一般要建立温度数学模型（包括导热微分方程和边界条件的建立）。

然后运动特定的数学计算方法建立具体的几何模型，最后把边界条件附加于具体的几何模型上便可进行有效地计算。

所以该方法是随着导热边界条件计算和数值计算方法的发展而发展的。

导热微分方程是一广义导热定律的总结，而一直沿用至今的是傅里叶导热微分方程。

而边界条件的确定方法发展到现在逐渐形成了两种主要的方法，即以实验测量为基础来进行边界条件计算的方法和以理论推导为基础的边界条件计算方法。

对于第一种方法，国内外的研究机构都做出了大量工作，国外由于设备先进条件优越因此从事实验研究的力度和广度都要比国内研究的大。

对于第二种方法，是以传热学理论为基础，根据缸套结构和冷却方式运用数学推导的方法来计算获得缸套的传热边界条件。

本次研究计算采用的是第二种方法，以16V240ZJ型水冷柴油机气缸套的具体结构和冷却方式为例，通过理论计算的方法来确定边界条件。

1.3本文的主要任务和目标

本课题的工作主要是利用有限元分析对16V240ZJ水冷柴油机缸套进行分析研究计算分析涉及到缸套的边界条件确定、温度场、热变形、热应力等，并利用计算结果针对改善强度、刚度等问题提出修改意见，从而（基于几何结构优化）给出最佳改进方案。

具体内容如下：

1、总结前人曾经做过的关于气缸套温度场和热变形的计算方法，通过总结和分析，提取出合理的适合本研究的研究方法和数据；

2、根据传热学的知识，并针对16V240ZJ发动机的具体情况采用合适的公式分析气缸套的边界条件并确定其导热方程及其求解条件，为下一步的有限元分析的准确计算提供保证；

3、根据获得的关于16V240ZJ发动机的气缸套的尺寸参数利用solidworks设计软件绘制气缸套的实体零件图；

4、将已经绘制好的16V240ZJ缸套零件图导入有限元分析软件solidworkssimulation中，划分合适的网格，并根据已经确定好的边界条件利用该分析软件进行关于温度场、热应力和热变形的分析；

5、通过分析，利用所得结果为气缸套的优化设计提供科学的参考。

2柴油机气缸套

2.1气缸套的功用

气缸套是一个圆筒形零件，置于机体的气缸体孔中，上由气缸盖压紧固定。

活塞在其内壁的引导下作往复运动，其外有冷却水冷却。

气缸套的功用有：

1.与缸盖底面、活塞顶共同组成燃烧室。

2.筒形活塞柴油机的气缸套承受活塞侧推力，成为活塞往复运动的导程。

3.将活塞组件及本身的热量传给冷却水，使之工作温度适当。

4.二冲程柴油机的气缸套布置有气口，由活塞启闭，实现配气。

2.2气缸套的工作条件

气缸套的工作条件是很恶劣的。

在柴油机工作时，由于燃料直接在气缸内喷射燃烧，使气缸受到高温、高压的作用。

气缸套内表面受高温高压燃气直接作用，并始终与活塞环及活塞裙部发生高速滑动摩擦。

外表与冷却水接触，在较大温差下产生严重热应力。

活塞对缸套的侧推力不仅加剧其内表摩擦，并使其产生弯曲。

侧推力改变方向时，活塞还撞击缸套。

此外还受到较大的安装预紧力以及燃气中所含硫分、水分和冷却水的腐蚀作用。

气体压力使气缸壁产生切向拉应力和径向压应力，并且在内表面最大，这种应力都是高频脉动应力。

因缸壁内外温差产生极大的热应力，一般温度下使内表面产生压应力而冷却面存在拉应力。

但在特高气温下，近内表面金属蠕变塑性变形，而冷却后即在内表面形成残余拉应力，这种随起动、停车变化引起的低频应力会使材料疲劳。

2.3对气缸套的要求

气缸套工作内表面由于与高温、高压的燃气相接触，有活塞环在其表面作高速往复运动。

为了达到一定的使用寿命和工作可靠性，气缸套必须具有足够的强度，尤其应防止产生疲劳裂纹，以承受很高的周期性变化的机械负荷和热负荷；同时，必须具有一定的刚度，以保证气缸套在工作时不致产生过大的变形和振动。

此外，还应进行必要的热处理和化学表面处理，使气缸套内表面具有良好的耐磨性和耐腐蚀性；并且具有良好的冷却和润滑。

2.3.1铸铁材料的特点

由于其卓越的滑动特征和生产加工性，缸套一直以来采用片状石墨材料。

这种铸铁材料原本是为了满足耐磨性和强度的需要，虽然通过添加合金拥有硬质珠光体基体和较细石墨，但为了再提高性能，于是，近年来，分散硬化物的复合材料就成为主流。

缸套一般采用含磷或含硼的耐磨合金铸铁作材料，如HT25—47、HP—CuCrMo等。

缸套的内表有时还进行镀铬（松孔镀铬、贮油网点镀铬）、氮化或磷化等处理，以提高耐磨性能。

缸套内表硬度通常要求大于HB200，且与活塞环硬度有良好匹配。

内表面还应有适当的粗糙度，使其具有一定贮油能力和磨合性能。

内表面应有足够的圆度和圆柱精度，安装支承面对内孔中心应有较高的位置精度。

（1）球墨铸铁具有致密强韧的珠光体基体和球状分布的石墨，强度比普通铸铁高一倍；抗穴蚀性和耐磨性也都是比普通铸铁好。

但是由于球化石墨表面积较小，其保油性比石墨片状分布的普通铸铁差，在润滑条件不良时，容易出现局部干摩擦而导致“拉缸”。

为获得较好的润滑条件，希望石墨球粒的尺寸越小越好。

球墨铸铁气缸套经过适当的研磨和热处理，可以得到良好的研磨表面。

球墨铸铁的缺点是铸造工艺比普通铸铁复杂，成本较高。

（2）一般铸铁中添加磷的成分达到0.3~0.8%时称为高磷铸铁，磷在铸铁中形成网分布的三元共晶体，从而提高硬度而获得良好的耐磨性。

其耐磨性与球墨铸铁气缸套相接近，但工艺性比球模型铸铁好，省工时，而且磷还可以改变耐腐蚀性能。

高磷铸铁的缺点是：

由于含磷量增多，材质变脆，而且容易产生缩孔，造成废品。

（3）在铸铁中添加镍、铬、铜等合金元素后得到的各种合金铸铁。

添加合金元素可以使材料组织均匀，珠光体致密，或促进高硬度的碳化物形成，进一步提高强度、耐磨性和耐腐蚀性。

合金铸铁缺点是要消耗贵重金属，熔炼铸造工艺复杂，加工较困难，成本也高。

此外，制造气缸套材料还有：

含硼铸铁、稀土钙铸铁、钛钒铸铁、磷钒铸铁以及奥式铸铁等。

在一些强化的内燃机中，还采用氮化钢来制造气缸套。

因为氮化钢的耐热性和耐腐蚀性都很好。

在500℃时，氮化层的硬度下降很少，可以保证在工作温度下的耐磨性。

为了提高耐磨性、耐腐蚀性，还可以采用镀铬、淬硬、喷镀金属钼或其它耐磨性合金等表面的处理的方法。

气缸套的材料和表面处理方法，要根据内燃机的具体用途、强化程度、使用寿命和制造成本等要求来选择。

例如在使用中以磨料磨损为主的拖拉机、工程机械的内燃机气缸套，多数采用球墨铸铁、高磷铸铁或者合金铸铁等来制造；对于使用中以磨料磨损为主，同时又兼有腐蚀磨损的农用内燃机的气缸套，有时采用奥式铸铁；而磨料磨损比较严重，同时产生熔着磨损倾向又较大的车用强化内燃机，特别是坦克内燃机的气缸套则多采用钢来制造，并对其镜面氮化或镀铬。

2.3.2材质对缸套（气缸）滑动特性的影响

缸套（气缸）的运转初期，其滑动面加工时的基体表面流动，石墨或硬化层的大部分暴露在表面。

因此在运转初期，表面的加工面性状就决定了其滑动特性。

材质的影响明显表现出来则要到部分镜面化进行的中期以后。

2.3.3硬化物层的作用

由于生产加工性、环磨损方面的因素，仅靠硬化基体组织是难以大幅度改善耐磨性的。

所以，柴油发动机所用缸套材料的大半是由分散着硬化物层的复合材料组成。

（1）为环的主要承压部位，防止磨损、拉缸。

硬化物层因为坚硬，是非金属，故耐拉缸性卓越。

（2）阻止珠光体基体的流动，阻止微拉缸的发展。

2.4气缸套结构形式

气缸套内表面由于受高温高压燃气的作用并与高速运动的活塞接触而极易磨损。

为提高气缸的耐磨性和延长气缸的使用寿命而又有不同的气缸结构形式和表面处理方法。

气缸结构形式有三种：

无气缸套式、干气缸套式、湿气缸套式。

湿式气缸套又分为带水套的和不带水套的两类。

无气缸套式机体即不镶嵌任何气缸套的机体，在机体上直接加工出气缸，优点是可以缩短气缸中心距，使机体尺寸和质量减小。

但成本较高。

2.4.1干式气缸套

干套是一个薄壁套筒。

它的壁厚一般为2~3.5mm，目前有减薄的趋势，有的已经薄到1.0~1.5mm。

镶干套的气缸壁厚δ=0.06D，D为气缸直径，最小壁厚δ

=5mm。

干套过去用D/1500左右的过盈压入气缸座合面，而后进行精加工。

由于这样压合，更换起来不方便，目前多采用第二钟动配合代替过盈配合，可以用手轻轻推入座合面而不需要压入后再加工，使修理费用降低，但是制造过程中必须对气缸体上的座孔进行研磨和对气缸套的外圆进行精磨。

同时，为了防止活塞“咬缸”时，气缸套发生位移，要在气缸套上端作出凸肩或者在气缸套下端装上弹性锁圈来定位。

采用前一种方式时，气缸套凸肩超出气缸体上端平面的高度要适当，使气缸盖衬垫压缩后，既能保证气体的密封能力，又不至于引起气缸变形；气缸套的承压面也应该平整，否则拧紧气缸盖螺栓时会引起气缸变形。

采用后一种方式可以避免拧紧气缸盖螺栓时由于支承端面的不平而引起气缸的变形。

干式气缸套的外表面不与冷却水直接接触，缸套一般做成1～3㎜壁厚的圆筒，装入预先镗好的气缸体座孔内。

这要求缸套外表面和气缸套座孔内表面均须精加工，以保证必要的外型精度和便于拆装。

这种缸套具有良好的水密封性，并有较大的机体刚度，气缸中心距小，质量轻，加工工艺简单。

缺点是传热较差，温度分布不均匀，容易发生局